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Año 2, Núm. 29, 4 de diciembre de 2007
[Ide@s CONCYTEG]
La Importancia de los genomas mitocondriales.
los
seres
vivos
es
el
ácido
desoxirribonucleico (ADN por sus siglas en ingles). El Dogma Central de la biología postula un flujo de información de este código inerte hacia los efectores de las reacciones de la vida, es decir las proteínas. De forma simple, el ácido desoxirribonucleico es transcrito a su
Un enfoque estructural
intermediario,
el
ácido
ribonucleico
(ARN), para ser finalmente traducido a las proteínas. Muchas de las proteínas tienen
Luis G. Brieba1
capacidad
proteínas
catalítica,
a
estas
se les denomina enzimas, y
llevan a cabo entre otras las reacciones que involucran la producción de energía o
Los
el responder a estímulos seres
características
vivos
tienen
esenciales
el
como
Las nucleicos
crecer,
enzimas son
y
los
polímeros
ácidos
que
están
reproducirse y responder a estímulos,
formados por bloques sencillos conocidos
todas estas acciones tienen su fundamento
como aminoácidos y bases nitrogenadas
en una serie de reacciones químicas
respectivamente. Las enzimas al igual que
dictadas por la información genética de
los ácidos nucleicos tienen una forma
cada organismo. El código que contiene
física definida, y esta forma se puede
la información genética en la mayoría de
elucidar biofísicas:
a
través la
de
dos
Resonancia
técnicas Magnética
Nuclear y la cristalografía de proteínas.
1
Investigador Titular del LANGEBIO. Doctor en Ciencias (Ph.D.) con especialidad en Bioquímica, Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas en San Antonio (2001); Posdoctorado en Bioquímica Estructural en la Escuela de Medicina de Harvard (2005). Becario Internacional Howard Hughes (2007-2011). Investigador Nacional Nivel I;
[email protected]
El
primer
modelo
del
DNA
realizado por Watson y Crick nos describe al polímero del ácido nucleico como un par de hebras antiparalelas y a partir de esta estructura se postulo un
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mecanismo en el cual cada una de las dos
consiste en 16 568 pares de bases. En el
cadenas sirve como templado durante el
núcleo se encuentra la mayor parte del
proceso de replicación del DNA (Figura
material hereditario, pero el genoma
1).
mitocondrial a pesar de su reducido tamaño es sumamente importante porque codifica para proteínas involucradas en la reacciones de la generación de energía por la célula. En ambos genomas, las polimerasas de ácidos nucleicos que replican el material genético llevan a cabo su
función
en
ensamblados
macromoleculares replisomas. Figura. 1.- El DNA es el portador de la información genética. a) Estructura de un dodecamero de DNA de doble cadena de forma B b) formación de los pares de bases que componen el DNA de acuerdo a las reglas de Watson y Crick
En
denominados el
ser
humano
el
replisoma que se encarga de replicar a los miles de millones del DNA nuclear esta compuesto de aproximadamente catorce proteínas y las DNA polimerasas epsilon
El proceso de replicación por el
y delta, replican la cadena líder y
cual se duplica el material genético y el
discontinua del DNA respectivamente. En
proceso de la transcripción en el cual el
cuanto al replisoma mitocondrial, este
DNA de doble cadena es convertido a
consiste en solamente cuatro proteínas y
RNA de cadena sencilla, son llevados a
la DNA polimerasa gamma, es la única
cabo
polimerasa encargada de replicar nuestro
por
enzimas
conocidas
como
polimerasas de ácidos nucleicos y estas
genoma
mitocondrial.
Las
DNA
enzimas llevan a cabo las reacciones para
polimerasas epsilon, delta y gamma son
resguardar al genoma y producir a las
polimerasas con una fidelidad exquisita,
proteínas.
es decir llevan a cabo el proceso de
El ser humano tiene dos genomas,
adición de nucleótidos de acuerdo con las
el genoma nuclear que consiste en
reglas de Watson y Crick (Adenina se
aproximadamente 3,200 millones de pares
aparea con Timina y Citosina se aparea
de bases y el genoma mitocondrial que
con Guanina) con una gran selectividad.
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En promedio estas polimerasas cometen
funcionamiento de las polimerasas de la
una equivocación en la incorporación de
familia A.
una base una vez por cada millón de
A pesar de la divergencia evolutiva
intentos y si llegan a equivocarse cuentan
de
con un sistema de edición en el cual la
polimerasas.
base erróneamente incorporada puede ser
polimerización de ambas familias guarda
removida.
semejanza a una mano derecha por lo que
estas
dos
familias El
de
DNA
dominio
de
Las DNA polimerasas epsilon y
a los tres subdominios que lo componen
delta pertenecen a una familia de la DNA
se les denomina palma, pulgar y dedos
polimerasas conocida como familia B,
(Figura 2).
mientras que la DNA polimerasa gamma pertenece a la familia A. Hasta el día de hoy solamente se conocen las estructuras cristalográficas de polimerasas de ácidos nucleicos replicativas de fagos y de bacterias. Sin embargo todos los intentos por conocer la estructura de las DNA polimerasas de ácidos nucleicos de organismos
eucariontes
han
sido
infructuosos. Ante estas limitaciones se han utilizado a la DNA polimerasa del fago RB69 como modelo de las DNA polimerasas de la familia B y al Fragmento
Klenow
de
la
Figura 2.- El dominio de polimerización de las DNA polimerasas. a) Estructura del Fragmento Klenow, arquetipo de la familia A de las DNA polimerasas b) Estructura de la DNA polimerasa del bacteriófago RB69, arquetipo de la familia B de las DNA polimerasas
DNA
polimerasa I de la bacteria E. coli y la
Las DNA polimerasas de la familia
DNA polimerasa del bacteriófago T7 como
modelos
para
entender
A tiene esta fidelidad tan exquisita por el
el
tamaño de su sitio activo en donde 796
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solamente puede caber una base del tipo
mitocondrial se equivoca una vez por
Watson y Crick.
cada millón de eventos daría lugar a una equivocación por cada sesenta veces que se duplique el material genético. Sin embargo, mecanismos
en
la de
mitocondria corrección
de
los las
mutaciones son mucho mas limitados en comparación con los mecanismos del DNA nuclear. El problema es mucho mas
Figura 3.- El sitio activo de la DNA polimerasas replicativas es “apretado” a) Estructura cristalográfica de la T7 DNA polimerasa mostrando de color azul la base templada y de rojo el dNTP a ser incorporado en la cadena molde b) representación espacial donde se evidencia que el dNTP a ser incorporado se encuentra rodeado por amino ácidos de la DNA polimerasa.
complicado porque las bases nitrogenadas que componen el DNA están expuestas a agentes químicos como luz ultravioleta, radicales
Si consideramos que la diferencia
xenobióticos
libres
o
compuestos
que
pueden
alterar
su
entre un individuo enfermo o sano se
potencial de código y su relación con las
puede encontrar en una mutación (es decir
polimerasas. Por ejemplo, la oxidación de
un cambio puntual) en uno de los
la guanosina en la posición 8 da lugar a
millones de pares de bases que forman el
un aducto que se conoce como 8-oxo
genoma, es evidente que tiene que haber
guanosina.
mecanismos que aseguren una replicación
replicativa encuentra esta lesión comete
fiel del genoma. Por ejemplo, si durante
una equivocación en uno de cada tres
la replicación del material genético, la
eventos de adición de nucleótidos. Esto es
polimerasa de ácidos nucleicos comete
sumamente
una equivocación una sola vez por cada
polimerasa que es sumamente fiel como
millón de bases incorporadas, entonces
es el caso de las polimerasas de la familia
durante un solo evento de duplicación
A son extremadamente infieles cuando
celular se tendrían en total 3 mil
encuentran la lesión 8-oxo guanosina y
equivocaciones.
polimerasas especializadas como la DNA
Cuando
una
interesante
polimerasa
porque
una
Dado el reducido tamaño del
polimerasa eta que son altamente infieles
material genético de la mitocondria, es
(una equivocación por cada cien eventos
contrastante que si la DNA polimerasa
de incorporación) son sumamente fieles
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cuando encuentran como substrato al aducto
8-oxo
guanosina
(una
equivocación por cada diez miel eventos de incorporación).
Figura 4.-. Estructuras cristalográficas de tres DNA polimerasas con distinta fidelidad. a) T7 DNA polimerasa como ejemplo de una DNA polimerasa altamente fiel b) La Reversa Transcriptasa del HIV-1 como ejemplo de una DNA polimerasa moderadamente fiel c) La DNA polimerasa eta como ejemplo de una DNA polimerasa altamente infiel.
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La
fidelidad
DNA
Dado los procesos de oxidación
polimerasa hacia substratos canónicos
ocurren principalmente en la mitocondria
guarda una estrecha relación con el sitio
y
activo de la enzima. Por ejemplo, la T7
principalmente el aducto 8-oxo guanosina
DNA polimerasa tiene un sitio activo
se esperaría que la DNA polimerasa eta
“apretado” y comete una equivocación
pudiera encontrarse en la mitocondria, sin
aproximadamente una vez por cada
embargo esto no es
millón de bases incorporadas, la Reversa
el caso y la DNA polimerasa gamma es la
Transcriptasa del HIV-1 tiene un sitio
única DNA polimerasa presente en la
activo
mitocondria.
“relajado”
de
y
una
comete
una
es
el
lugar
donde
se
forma
equivocación por aproximadamente cada
El replisoma mitocondrial guarda
cien mil eventos y la DNA polimerasa eta
muchas semejanzas con el replisoma de
de ser humano tiene un sitio activo
organismos sencillos como el caso del
“abierto” y comete una equivocación
bacteriófago T7, dando lugar a la noción
aproximadamente cada cien eventos de
de
replicación (Figura 4).
endosimbionte bacteriano que evoluciono
Lo
anterior
es
sumamente
que
durante
la
formación
del
para dar la lugar a la mitocondria, los
paradójico, dado que como es posible que
genes
una DNA polimerasa tan infiel
polimerasas bacterianas se perdieron
como
la
DNA
polimerasa
eta
que
codificaban
para
las
en
durante la evolución y su lugar fue
substratos canónicos, sea tan fiel cuando
ocupado por genes provenientes de los
el substrato de DNA es modificado, como
bacteriófagos.
es en el caso de la 8-oxo guanosina. Las
recientes
La mitocondria tiene un genoma
estructuras
extremadamente reducido, pero es un
cristalográficas de la DNA polimerasa eta
organelo vital donde se llevan a cabo
nos indica que existen aminoácidos en
reacciones de fosforilación oxidativa y
esta
a
recientemente se ha redescubierto la
interactuar de forma específica con el
importancia de este organelo debido a su
aducto 8-oxo guanosina de una forma en
papel con fenómenos como la muerte
la cual no interactúa con otras bases.
celular programa y un sin numero de
polimerasa
que
la
obligan
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enfermedades
que están asociadas con
de investigación de nuestro laboratorio.
ella.
Nosotros pensamos que seria posible Dado que teoría del envejecimiento
mitocondrial
ha
propuesto
que
modular
la
fidelidad
de
la
DNA
la
polimerasa mitocondrial de mitocondria y
acumulación de mutaciones en el genoma
por lo tanto diseñar polimerasas que sean
mitocondrial da lugar a una perdida de
extremadamente fieles y posiblemente
función de la mitocondria.
expandan la edad promedio de nuestros
Esta perdida de función se debe a
organismos de estudio. Esta y otras
que las Especies reactivas de Oxigeno
hipótesis de nuestro laboratorio tienen su
(EROs)
la
fundamento en la idea que la estructura de
producción de energía por la mitocondria
una proteína guarda una relación cercana
y reaccionan para formar aductos como la
con su función.
son
generadas
durante
8-oxo guanosina lo cual da lugar a mutaciones en el DNA mitocondrial, dada
Bibliografía
la baja fidelidad de la DNA polimerasa ante esta base. Estas mutaciones generan proteínas con modificaciones en su
1.
Bernal J.D. (1939): Structure of proteins. Nature, (143):663-667
2.
Bessman MJ, Kornberg A, Lehman IR, Simms ES (1963): Enzymic synthesis of deoxyribonucleic acid. Biochim Biophys Acta, (21):197198.
3.
Brieba LG, Eichman BF, Kokoska RJ, Doublie S, Kunkel TA, Ellenberger T (2004): Structural basis for the dual coding potential of 8-oxoguanosine by a highfidelity DNA polymerase. Embo J, (23):3452-3461.
4
Doublie S, Tabor S, Long AM, Richardson CC, Ellenberger T (1998): Crystal structure of a bacteriophage T7 DNA replication complex at 2.2 A resolution. Nature, (391):251-258.
5
Ollis DL, Brick P, Hamlin R, Xuong NG, Steitz TA (1985)
función enzimática y que no son tan eficientes en las reacciones de respiración y aumentan la cantidad de especies reactivas las cuales evidentemente pueden reaccionar con el DNA mitocondrial y repetir el ciclo el cual eventualmente conlleva al envejecimiento y la perdida de función celular de la mitocondria. A pesar de la importancia del genoma mitocondrial, se desconocen en detalle los mecanismos por medio de los cuales
ocurre
la
replicación
y
la
transcripción de estos genomas. Buscar respuesta a lo anterior es el tema central 800
[Ide@s CONCYTEG] Structure of large fragment of Escherichia coli DNA polymerase I complexed with dTMP. Nature, 313:762-766. 6
Watson J.D., Crick F.H. (1953): Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature (171):964-967.
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